Consideration of energy storage systems and their degradation in microgrids sizing and energy management : influence of model accuracy

Le développement de micro-réseaux électriques, stationnaires, décentralisés et distribués, produisant l'énergie au plus près des consommateurs, est une des solutions possibles pour assurer l'intégration des énergies renouvelables qui est aujourd'hui un défi clé de la transition énergétique. Les Systèmes de Stockage de l'Énergie (SSE) au sein des micro-réseaux vont permettre de pallier l'intermittence et le manque d'inertie de ces sources renouvelables en apportant la flexibilité nécessaire ainsi que des possibilités d'optimisation des échanges d'énergie en fonction de critères économiques et écologiques. Les batteries sont les SSE les plus utilisées dans les micro-réseaux mais restent des éléments coûteux avec une durée de vie relativement faible et un impact écologique important. L'objectif global de la conception d'un micro-réseau revient à optimiser le dimensionnement des sources et des batteries (taille, technologie et topologie) en lien avec les stratégies de gestion de l'énergie. Pour cela, de nombreux outils et études existent et utilisent des modèles de fonctionnement et de vieillissement des batteries. Cependant, peu de travaux évaluent la précision de ces modèles dans des conditions réelles de fonctionnement, ni leurs impacts sur la qualité du dimensionnement ou de la gestion qui en découlent. La voie de recherche choisie dans cette thèse consiste en l'analyse de l'influence des modèles de SSE sur la conception optimale de micro-réseaux. Parmi les deux familles de batteries majoritaires dans les applications stationnaires qui sont les batteries Plomb-Acide et Lithium-ion, un focus sur la technologie Plomb-Acide a été réalisé, cette technologie présentant une grande maturité et un bon taux de recyclabilité. L'objectif est d'évaluer l'aptitude des modèles à prendre en compte le fonctionnement des SSE, à traduire les usages amenant des dégradations et à s'intégrer dans un environnement de modélisation pour l'optimisation multicritères (coût, usage de l'énergie produite localement, durée de vie) du dimensionnement et le développement de stratégies de gestion de l'énergie. Pour valider ces travaux, un banc de test de type micro-réseau basse tension continue a été réalisé. Ce banc permet d'émuler un micro-réseau à partir de données réelles de production et de consommation et, ainsi, évaluer le comportement des SSE dans des conditions maîtrisées mais proches d'un fonctionnement réel. Une étude comparative de modèles de batteries a ensuite été faite pour déterminer le plus approprié à la conception de micro-réseaux. L'analyse de la précision des modèles a été réalisée afin d'étudier leurs aptitudes à représenter le comportement des batteries et à traduire les phénomènes ayant un impact sur leur durée de vie. Pour cela, des profils d'usages liés aux micro-réseaux ont été identifiés et générés à partir des données du bâtiment à énergie optimisée du LAAS-CNRS. Enfin, à partir de ces modèles, une méthodologie pour dimensionner les sources et les SSE dans un micro-réseau est proposée. Ces mêmes modèles ont été utilisés pour mettre en œuvre des stratégies de gestion optimales. Dans les deux cas, une recherche de l'impact des modèles sur les résultats obtenus a été faite. Puis, les stratégies de gestion ont été testées sur le banc de test développé afin d'observer le comportement réel des SSE et les limites du modèle face aux résultats expérimentaux.The development of decentralized, distributed, stationary electric microgrids producing energy as close as possible to the consumers, is a key challenge of the energy transition. Microgrids can contribute to the massive renewables energies integration and allow the optimization of the energy use according to several economic and ecological criteria. Batteries are the most widely used Energy Storage Systems (ESS) in microgrids, but are among the most expensive components with a relatively short lifetime. Therefore, optimize the sizing of sources and batteries (sizes, technologies and topologies) considering the energy management strategies is the general objective of the optimal design of a microgrid. For this purpose, many tools and studies exist using battery behavior and aging models. However, few works evaluate the accuracy of these models in real operating conditions, nor their impacts on the resulting sizing or energy management decisions. The research path chosen in this thesis consists in the analysis of different ESS models, considering their operation and degradation and used in optimal microgrid design methods. The objective is to evaluate the ability of these models to be integrated in a modeling environment dedicated to multi-criteria optimization (cost, use of locally produced energy, lifetime...) to size microgrids and develop energy management strategies. To validate this work, a test bench of a low voltage DC microgrid type has been built. This bench allows to emulate a microgrid from real production and consumption data and thus to evaluate the behavior of the ESS under controlled conditions but close to a real operation. A comparative study of battery models has been then made to find the most appropriate ones for microgrids design. An analysis of the accuracy of these models was carried out in order to study their ability to represent the battery behavior and the typical variations related to the stresses impacting their life span. For this purpose, usage profiles related to microgrids have been identified and applied to lead-acid batteries, widely used in stationary applications. Finally, based on these models, a methodology for sizing sources and ESS in a microgrid is proposed. These same models were used to implement optimal management strategies. In both cases, an investigation of the impact of the models on the results obtained was done. Then, the management strategies were tested on the developed microgrid testbed in order to identify the impact of the model in the differences between the simulation and experimental results